关键词:
二氧化钒薄膜
异质结
光电探测器
光电效应
高分子辅助沉积法
摘要:
近年来,薄膜技术在光学与电子学等多个领域均展现出了显著的发展趋势。在此背景下,利用不同薄膜制备的光电探测器与温度探测器也日益增多。二氧化钒(Vanadium Dioxide,VO2)作为一种独特的相变材料,其最显著的特性是在接近室温的温度下,能够实现不同相之间的转变。伴随相变的同时,它的物理性质会发生巨大变化。此外,它在常温下还表现出半导体特性,并且由于其带隙较窄,理论上会对较宽的波段范围具有光响应。因此,研究以VO2为基础的光电子器件具有重要意义。
本论文通过制备VO2薄膜与不同半导体基底材料的异质结,并基于VO2的相变特点系统研究了VO2薄膜异质结器件的相关特性。首先,本工作利用高分子辅助沉积法成功制备了VO2/Si异质结,研究了该器件的光电响应性能。结果表明,异质结对可见光和近红外光具有较好的响应效果,其具有优异的光电性能。通过进一步探究其结电流与温度的关系发现VO2在发生相变时电导率急剧增大,此时结电流也出现明显变化。而异质结在相变前后的电流温度特性表现出良好的线性关系,意味着该器件还有可能同时用于温度和光传感。接着,通过钨离子掺杂改变VO2薄膜的相变温度和费米面,进一步调制VO2/Si异质结的光电性能。结果发现,虽然钨离子掺杂可以增强光电流,但是杂质掺杂是的薄膜缺陷增多,暗电流大幅增加,器件的光电传感性能没有明显提升。最后,利用减薄后达到微米级别厚度的硅片实现了VO2/Si异质结的柔性化,拓展了其在可穿戴传感器件领域的应用范围。
由于碳化硅属于宽禁带半导体材料,为拓展异质结在紫外区域的响应,本论文进一步研究了VO2/Si C异质结的光电传感性能。实验结果表明,由于VO2与碳化硅的功函数相差较大,两者之间形成了较大的内建电场,使得该异质结不仅展现了良好的紫外光伏响应效果,并且无需施加偏压即可工作,极大地降低了器件的功耗。为进一步增强吸收提高器件光电响应,本论文通过在VO2/Si C异质结器件表面添加银纳米线发现该器件的光电流能增强4倍左右。同时,由于碳化硅良好的热稳定性,该探测器的温度响应性能相比硅基底的器件表现更加良好。
本论文研究了以VO2为基础的异质结器件,制备出了具有检测不同波段的光电器件。该研究不仅有助于推动光电器件领域的技术发展,也拓展了与VO2相关理论基础研究的广度和深度。